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La batteria agli ioni di litio acquosa ad alte prestazioni è più sicura dei modelli attuali

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Una nuova batteria dei ricercatori Rensselaer è a carica rapida, utilizza materiali ecologici ed è adatta per applicazioni compatte.

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I ricercatori hanno sviluppato un nuovo design per una batteria acquosa che potrebbe risolvere alcuni dei problemi di prestazioni e di produzione attualmente associati alle batterie agli ioni di litio, oltre a fornire un'alternativa rapida e di piccolo formato alle batterie attuali.

Un team di ingegneri del Politecnico di Rensselaer ha utilizzato un elettrodo acquoso al posto di un tipico elettrodo organico nel loro progetto, che ha diversi vantaggi per le attuali batterie ampiamente utilizzate oggi in tutto, dagli smartphone ai dispositivi elettronici portatili ai veicoli elettrici, ha detto Nikhil Koratkar, professore di ingegneria meccanica, aerospaziale e nucleare alla Rensselaer. "A differenza delle batterie tradizionali, le batterie acquose non possono mai prendere fuoco", ha detto a Design News. "Inoltre, le batterie acquose sono molto più economiche, poiché l'acqua è poco costosa rispetto ai solventi organici utilizzati negli elettroliti delle batterie di oggi"

Infatti, poiché l'acqua è uno degli elementi base della batteria, è molto più facile smaltire i dispositivi una volta che non sono più in uso, ha detto Koratkar, anche lui professore di scienza dei materiali all'istituto. "L'acqua può essere scartata, mentre i solventi organici sono spesso tossici e richiedono un attento riciclaggio", ci ha detto.

Le batterie acquose hanno anche vantaggi nel processo di produzione, il che le rende più desiderabili rispetto ai progetti attuali. Le batterie tradizionali devono essere assemblate in una stanza asciutta, poiché l'elettrolita è sensibile all'umidità, ha detto Koratkar. "Tuttavia, se si usa l'acqua come elettrolita, allora non sono necessarie condizioni di ambiente asciutto", ci ha detto.

Superare gli ostacoli

I ricercatori sono riusciti a raggiungere alte prestazioni nel loro design a batteria acquosa, cosa che sono riusciti a fare superando i precedenti limiti di questi progetti, ha detto Koratkar.

Storicamente le batterie acquose hanno avuto difficoltà a mantenere le prestazioni a causa di una cosa chiamata "degassamento", ha detto Koratkar. Ciò accade se si applica troppa tensione all'acqua che si elettrolizza; l'acqua si scompone in idrogeno e ossigeno, con conseguente consumo dell'elettrolita. Per questo motivo, le batterie acquose hanno tradizionalmente una finestra di tensione limitata.

Per risolvere questo problema, il team ha utilizzato un tipo speciale di elettrolita acquoso noto come elettrolita ad acqua in sale, che ha meno probabilità di elettrolizzare. Hanno anche utilizzato nuovi materiali per il catodo e l'anodo - ossido di manganese al litio per il primo, e ossido di tungsteno al niobio per il secondo, che è un ossido complesso che non è stato utilizzato prima.

"Abbiamo scoperto che la densità di energia volumetrica degli elettrodi di ossido di tungsteno niobio è eccezionale per la sua alta densità e la densità di imballaggio", ha detto Koratkar. "Inoltre, offre una capacità di carica molto veloce grazie alla diffusione ultraveloce del litio all'interno dei canali (o tunnel) all'interno della struttura dell'ossido"

Accumulo di energia veloce e sicuro

Questa combinazione di capacità di ricarica rapida e la capacità di immagazzinare una grande quantità di carica per unità di volume è rara nelle batterie acquose.

I ricercatori hanno pubblicato un articolo sul loro lavoro sulla rivista Energy Storage Materials.

Il team prevede un design della batteria adatto ad applicazioni in cui l'energia deve essere immagazzinata in spazi compatti, come negli smart phone, nei computer portatili, nell'immagazzinamento in rete nelle aree urbane, e "anche in applicazioni automobilistiche in cui la batteria può occupare quasi l'intera dimensione del bagagliaio", ha detto Koratkar. "La capacità di ricarica rapida è molto importante anche nelle applicazioni moderne"

Il team ha intenzione di continuare il lavoro sulla batteria per migliorare le sue prestazioni gravimetriche sostituendo alcuni degli elementi più pesanti come il niobio e il tungsteno con altri più leggeri, ci ha detto Koratkar. I ricercatori mirano anche ad aumentare la tensione di esercizio della batteria per migliorare ulteriormente l'energia e la densità di potenza. "Tutti i nostri test fino ad oggi sono in cellette di monete", ha detto Koratkar. "In definitiva, vogliamo mostrare la prova del concetto in fattori di forma più grandi, come sacchetto e cellule cilindriche"